[發明專利]一種多層結構納米發電機及其制備方法

在審

• 申請號: 201710034329.3
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106892401A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 李明吉;李凱;李紅姬;李翠平;楊保和
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: B82Y30/00
• 分類號: B82Y30/00;H01L41/187;H01L41/27
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司12002
• 代理人: 顏濟奎

技術領域

本發明涉及一種新能源器件領域中的納米發電機，尤其是針對一種對力和光敏感的多層結構納米發電機及其制備方法。

背景技術

本發明是基于規則氧化鋅納米晶的納米發電機，是在納米范圍內將機械能或光能轉化成電能，是世界上最小的發電機。氧化鋅薄膜具有較大的光電耦合系數,較低的溫度系數和較小介電常數，(002)取向的氧化鋅具有較強的壓電和壓光效應，可以用作壓電、壓光裝置；石墨具有優異的導電性能，將石墨以納米片的形式鍍在氧化鋅薄膜表面，增加接觸面積，同時再把具有較強奪電子能力的金納米顆粒附著在石墨納米片上，這樣氧化鋅薄膜產生的電子可最大化的通過石墨層向電極流動，產生我們所需要的電能，進而實現無源供電。

針對(002)取向的氧化鋅具有較強的壓電和壓光效應，本發明設計出了一種新型的納米發電機，對壓電和壓光均可產生較強的電量。底電極的不同可產生不同的用途，非柔性基底發電機可應用于工業發電，電荷量大，可滿足工業生產的部分需求；柔性基底的發電機可自行恢復形變，融合氧化鋅對壓電的敏感特性，可在身體上進行穿戴，將人體運動的機械能通過壓力，巧妙轉化為電能，同理，也可用來測試心跳，應用于醫療器械等多個用電領域，滿足不同方面的電能需求。另一方面，氧化鋅因對光敏感，不同頻率的光照同樣可產生所需要的電能。綜合來看，可產生光和力的領域是廣泛的，決定著該納米發電機的應用力度是無可比擬的，加之該納米發電機制備工藝簡單，生產成本低，電荷產生量大，相比于其他納米發電機具有明顯的優勢。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多層結構納米發電機，該多層結構納米發電機構成的五部分從下到上依次為：金屬底電極層、氧化鋅層、石墨納米片層、金顆粒層和金屬上電極層，

(1)以鈦、銅或鋁的箔或片作為金屬底電極層；

(2)在襯底上沉積一層(002)取向氧化鋅多晶膜作為壓電層，即氧化鋅層；

(3)將殼聚糖溶于醋酸溶液中，加入已還原的石墨粉末，成粘稠狀石墨液體，在氧化鋅薄膜上絲網印刷粘稠的絲網印刷墨水，靜置，烘干，制成的石墨納米片層；

(4)在石墨納米片上修飾一層金納米顆粒，即金顆粒層；

(5)在金納米顆粒修飾的石墨納米片上再覆蓋一層金屬作為金屬上電極層。

本發明的另一目的在于提供一種多層結構納米發電機的制備方法，構成的五部分從下到上依次為：金屬底電極層、氧化鋅層、石墨納米片層、金顆粒層和金屬上電極層，由以下步驟組成：

(1)以鈦、銅或鋁的箔或片作為金屬底電極層；

(2)在襯底上沉積一層(002)取向氧化鋅多晶膜作為壓電層，制備成氧化鋅層；

(3)將殼聚糖溶于醋酸溶液中，加入已還原的石墨粉末，成粘稠狀石墨液體，在氧化鋅薄膜上絲網印刷粘稠的絲網印刷墨水，靜置，烘干，制得石墨納米片層；

(4)在石墨納米片上修飾一層金納米顆粒，即金顆粒層；

(5)在金納米顆粒修飾的石墨納米片上再覆蓋一層金屬作為金屬上電極層。

所述的氧化鋅多晶膜的厚度為200nm-1μm，(002)取向，晶粒大小為25nm-300nm。

所述的殼聚糖與石墨粉末的摻入的質量比為2：1-2：2，根據加入的醋酸溶液的體積加入。

所述的制備石墨納米層的醋酸溶液的質量分數為1％-10％。

所述的絲網印刷目數50目以上。

所述的制備金顆粒的方法可以使用電化學多電位階躍法、循環伏安法、恒電位法、紫外光催化還原法等實驗手段。

所述的制備金納米顆粒多用到的四氯金酸溶液濃度為0.1g/L-0.01g/L。

所述的在石墨層上修飾的金顆粒的粒徑為20nm-800nm。

在金顆粒上覆蓋的一層金屬可以為銅、鈦、鋁等金屬。

上下金屬層上分別連接導線，對其發電量進行測試。

本發明的有益效果：

(1)制備工藝簡單，易于成型，根據不同物質的特性的巧妙組合，實現發電性能。

(2)發電量大，僅僅2cm×2cm的樣品，一般情況下發電量可達到500PC的電量，最大可達700PC。

(3)制備石墨納米片層所用的材料為殼聚糖，它生物相容性好，對人體無害，促進凝聚。

(4)應用領域廣泛，針對壓電和壓光特性的敏感性，實用性較強，可在多個領域應用，若條件允許，壓電和壓光同時使用，電量可實現疊加。